Công nghệ LTE và quy hoạch mạng 4g LTE luận văn tốt nghiệp đại học

Nghiên cứu cũng bao hàm cả một số nghiên cứu về côngnghệ phát thu nhiều anten dưới tiêu đề “Nhiều đầu vào nhiều đầu ra” MIMOcùng với chọn ô nhanh FCS.Vì nghiên cứu khả thi cho thấy có th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

VÀ QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE

Lớp 47K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

Nghệ An, 5 - 2011

Mục lục

Lời nói đầu

Tóm tắt đồ án

Danh mục sơ đồ hình vẽ

Danh mục bảng biểu

Thuật ngữ và viết tắt

Chương 1 Tổng quan quá trình phát triển thông tin di

động 3G lên 4G 2

1.1 Mở đầu 2

1.2 Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành 2

1.3 Quá trình tiêu chuẩn hóa HSPA trong 3GPP 3

1.3.1 Chuẩn hóa HSDPA trong 3GPP 3

1.3.2 Chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP 5

1.4 Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE 7

1.5 IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G 7

1.6 Tổng quan LTE 10

1.6.1 Tốc độ số liệu đỉnh 10

1.6.2 Trễ mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng 10

1.6.3 Thông lượng số liệu 11

1.6.4 Hiệu suất phổ tần 12

1.6.5 Hỗ trợ di động 13

1.6.6 Vùng phủ 14

1.6.7 MBMS tăng cường 14

1.6.8 Triển khai phổ tần 15

1.6.9 Đồng tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT 15

1.6.10 Các vấn đề về mức độ phức tạp 16

1.7 So sánh các công nghệ mạng di động trên con đường đi tới 4G 16

1.8 Kết luận chương .19

Chương 2 Kiến trúc mạng 4G LTE 20

2.1 Tổng quan kiến trúc LTE 20

2.2 Lõi gói phát triển EPC 22

2.3 Đường xuống OFDM và đường lên SC-FDMA 27

2.3.1 Đường xuống OFDM 27

2.3.2 Đường lên SC-FDMA 27

2.4 Sự hỗ trợ nhiều anten (Multiple antenna support) 28

2.5 Hỗ trợ multicast và broadcast 29

2.6 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai 30

2.7 Độ linh hoạt phổ và việc triển khai 31

2.8 Kết luận chương 32

Chương 3 Các kỹ thuật trong mạng 4G LTE 33

3.1 Các hạn chế cơ bản đối với truyền dẫn vô tuyến băng rộng và giải pháp .33 3.1.1 Phân tích các hạn chế trên cơ sở công thức dung lượng của Shannon 33

3.1.2 Phân tích hạn chế truyền dẫn vô tuyến băng rộng theo điều kiện truyền sóng 34

3.2 ARQ hỗn hợp với việc kết hợp mềm (Hybrid ARQ with soft combining) 34

3.3 Các giao thức và các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE 35

3.3.1 Các giao thức trên giao diện vô tuyến 35

3.3.2 Các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE 36

3.3.3 Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn 37

3.4 Tổ chức kênh tần số trong LTE 40

3.4.1 Băng thông kênh và cấu hình băng thông truyền dẫn 40

3.4.2 Sắp xếp kênh tần số 41

3.5 Điều chế trong 4G LTE 42

3.5.1 Xử lý kênh truyền tải đường xuống 42

3.5.2 Xử lý kênh truyền tải đường lên 43

3.6 Báo hiệu điều khiển L1/L2 44

3.6.1 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống 44

3.6.2 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên 46

3.7 Chuyển giao trong 4G LTE 48

3.7.1 Chuyển giao nội LTE 48

3.7.2 Báo hiệu cho chuyển giao 48

3.7.3 Đo chuyển giao 49

3.7.4 Chuyển giao giữa các hệ thống 50

3.8 Điều khiển công suất trong LTE 51

3.9 Kết luận chương 52

Chương 4 Mô hình thiết kế tính quy hoạch mạng 4G LTE 53

4.1 Giới thiệu về quy hoạch mạng vô tuyến 53

4.1.1 Nguyên lý chung 53

4.1.2 Một số đặc điểm cần lưu ý trong quy hoạch mạng 54

4.2 Quy hoạch định cỡ mạng 56

4.2.1 Tính toán vùng phủ sóng 57

4.2.2 Tiến trình định cỡ mạng LTE 60

4.3 Tính toán kích thước cell và diện tích cell 62

4.4 Phân tích quỹ năng lượng đường truyền 67

4.4.1 Ba cách định nghĩa tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm yêu cầu 68

4.4.2.Rút ra phương trình tính toán suy hao truyền sóng cực đại cho phép 70

4.4.3 SINR yêu cầu 76

4.4.4 Nhiễu 79

4.5 Quy hoạch dung lượng 81

4.5.1 Quy hoạch dung lượng LTE 81

4.5.2 Tính toán thông lượng cell trung bình 82

4.5.3 Ước tính lưu lượng yêu cầu và yếu tố overbooking 84

4.5.4 Dung lượng dựa vào số site 85

4.6 Đầu ra định cỡ 86

4.7 Kết luận chương 88

Kết luận 89

Tài liệu tham khảo 90

Lời nói đầu

Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giớivới những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ vàtrong cuộc sống hằng ngày Các kĩ thuật không ngừng được hoàn thiện đápứng nhu cầu của người tiêu dùng Để đáp ứng nhu cầu băng thông lớn, tốc độngày càng cao của con người thì 3G cũng như phát triển lên 4G ngày càng trởlên vô cùng cấp thiết

Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng côngnghệ, có định nghĩa theo hướng dịch vụ 4G là một giải pháp để vượt lênnhững giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G Thực tế, vào giữa năm

2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạngbăng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữutuyến cố định 4G còn là thể hiện ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu

ở các trường đại học, các viện, các công ty như Motorola, Qualcomm, Nokia,Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty viễn thông khác với mongmuốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứngđược Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ và mạng 4G LTE em đã

thực hiện đồ án: “Công nghệ LTE và quy hoạch mạng 4G LTE” Đồ án này

em trình bày 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về quá trình phát triển thông tin di động 3G lên 4GChương 2: Kiến trúc mạng 4G LTE

Chương 3: Các kỹ thuật trong mạng 4G LTE

Chương 4: Mô hình quy hoạch mạng 4G LTE

Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫncủa các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn cô, TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa và các thầy

cô giáo đã giúp em hoàn thành đồ án này!

Vinh, ngày tháng 5 năm 2011

Người thực hiện

Nguyễn Hữu Sơn

Tóm tắt đồ án

Chúng ta sẽ tìm hiệu tổng quan các quá trình tiêu chuẩn hoá HSPA vàLTE, lộ trình tiến lên 4G, so sánh các công nghệ đi tới 4G, mục tiêu của cáccông nghệ mới này đều nhằm cải thiện các thong số hiệu năng và giảm giáthành so với công nghệ trước đó Tiếp theo tổng quan về kiến trúc mạng 4GLTE, các mục tiêu yêu cầu của LTE nhằm cải thiện các thông số hiệu năng vàgiảm giá thành so với các công nghệ trước đó Tiếp theo trình bầy các vấn đềliên quan đến truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao băng thông rộng, giao diện vôtuyến liên quan đến ngăn xếp giao thức trên giao diện vô tuyến, tổ chức kênhtrên giao diện vô tuyến, cấu trúc lưới tài nguyên tần số - thời gian, và tổ chứckênh vô tuyến và LTE Cuối cùng, quá trình quy hoạch mạng 4G LTE, chủyếu tập trung vào quỹ đường truyền, ước tính dung lượng cell và các công cụ

và trường hợp nghiên cứu cho định cở mạng LTE

We will learn an overview of the standardization process HSPA andLTE, 4G roadmap forward, compared to up to 4G technologies, the goal ofthis new technology to improve the performance parameters and costreduction compared with previous technologies The next, an overview ofLTE 4G network architecture, the objective requirements of LTE parameters

to improve performance and lower cost than previous technologies The next,present the issues related to wireless transmission of high speed broadband,wireless interface associated protocol stack on the radio interface, channelorganization on the radio interface, the structure frequency grid resources-time, and organization and LTE wireless channel Finally, the 4G LTEnetwork planning, fund primarily focused on transmission lines, cell capacityand estimates of the tools and case studies for the LTE network size

Danh mục sơ đồ hình vẽ

Hình 1.1 Tiến trình các phát hành trong 3GPP

Hình 1.2 Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA

Hình 1.3 Các kĩ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA

Hình 1.4 Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN

Hình 1.5 Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

Hình 1.6 Chuyển đổi trạng thái trong LTE

Hình 1.7 Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE

Hình 2.1 Kiến trúc mạng LTE

Hình 2.2 Mạng lõi SAE (hình vẽ dạng đơn giản)

Hình 2.3 Kiến trúc mô hình LTE tổng quát theo TR 23 822

Hình 2.4 Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bổ phổ của một hệ thống GSM đã được triển khai

Hình 3.1 Kiến trúc mạng 4G LTE

Hình 3.2 Ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến của LTE

Hình 3.3 Các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh vật lý

Hình 3.4 Lưới tài nguyên thời gian-tần số cơ sở của LTE (độ dài CP bình thường)

Hình 3.5 Lưới tài nguyên truyền dẫn không gian thời gian của LTE trong một lớp cho trường hợp CP bình thường

Hình 3.6 Cho thấy cấu trúc tài nguyên trong một khe thời gian cho băng thông kênh 20MHz với tần số lấy mẫu fs=30,72MHz và f=15 KHz

Hình 3.7 Định nghĩa băng thông kênh Bchannel và cấu hình băng thông truyền dẫn Bconfig

Hình 3.8 Xử lý khối truyền tải đường xuống

Hình 3.9 Xử lý kênh truyền tải đường lên

Hình 3.10 Chuỗi xử lý cho báo hiệu điều khiển đường xuống L1/L2

Hình 3.11 Ghép số liệu và báo hiệu điều khiển đường lên L1/L2 trong trường hợp truyền dẫn đồng thời UL-SCH và điều khiển L1/L2

Hình 3.12 Chuẩn bị chuyển giao

Hình 3.13 Thực hiện chuyển giao

Hình 3.14 Hoàn thành chuyển giao

Hình 3.15 Tổng quan chuyển giao từ LTE đến UTRAN/GERAN

Hình 3.16 Công suất đường lên LTE với thay đổi tốc độ

Hình 4.1 Quá trình quy hoạch và triển khai mạng 4G LTE

Hình 4.2 Định cỡ mạng LTE

Hình 4.3 Các tham số trong mô hình Walfisch-Ikegami

Hình 4.4 Ba loại site khác nhau (Omni, 2 sector, 3 sector)

Hình 4.5 Các yếu tố ảnh hưởng dung lượng LTE

Hình 4.6 Hàm phổ công suất của G

Hình 4.7 Dự trữ nhiễu nhận được như một hàm của tải

Đề án các đối tác thế hệ thứ

ba 2

theo mã

DFTS-OFDM

Evolution

Phát triển tăng cường số liệu cho GSM

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

request

Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt

Access

Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

Access

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

Liên đoàn viễn thông quốc

tế bộ phận vô tuyến

RNC và mạng lõi

thông tin giữa nút B và RNC

thông tin giữa các RNC

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi

trường

Service

Dịch vụ quảng bá đa phương đa phương tiện

Frequency Network

Mạng đơn tần quảng bá đa phương

Giao thức hội tụ số liệu gói

Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

tuyến

SC-FDMA Single Carrier- Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang

SDU Service Data Unit Đơn vị số liệu dịch vụ

theo thời gian

theo thời gianTD-

SCDMA

Time Division-Synhcronous Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ-Phân chia theo thời gian

Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

UMTS

mặt đất UMTS

thông tin giữa nút B và UE

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

Chương 1 Tổng quan quá trình phát triển

thông tin di động 3G lên 4G

1.1 Mở đầu

Hiện nay UMTS đã và đang triển khai trên thế giới 3GPP đã tiến hànhnghiên cứu để cải thiện hiệu năng của UMTS bằng việc đưa ra các phát hànhR5, R6 và R7 với các tính năng như HSDPA, HSUPA và MBMS Mục tiêucủa LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN, các nghiêncứu của LTE nhằm giảm giá thành, tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợinhuận cao và cải thiện khai thác bảo dưỡng cũng như cung cấp dịch vụ Đểđạt được mục tiêu này cần đưa ra một công nghệ vô tuyến tiềm năng mới chophép nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thờigian trễ Ngoài ra cũng cần nghiên cứu để giảm độ phức tạp của hệ thống nhất

là đối với các giao diện và quản lí tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ dàngtriển khai và khai thác hệ thống

1.2 Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành

Từ khi ra đời cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trở thành mộtngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh chóng Không chỉ có dịch

vụ thoại được triển khai trên hạ tầng mạng viễn thông di động mà cùng với nó

là các loại hình dịch vụ khác như hình ảnh, dữ liệu đang gia tăng cả về sốlượng lẫn chất lượng Để đáp ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càngtăng cao đó, các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến vàđược chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới

Tổ chức 3GPP là một tổ chức được giao trách nhiệm phát triển và hàihòa tiêu chuẩn HSPA Trước đó tổ chức này đã được giao nhiệm vụ tiêuchuẩn hóa cho WCDMA - Một chuẩn cho hệ thống 3G đã được ITU chấpnhận và đưa vào hoạt động

Hoạt động tiêu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến 2008được tổng kết theo thời gian đưa ra các phát hành trên hình vẽ sau.

1.3 Quá trình tiểu chuẩn hóa HSPA trong 3GPP

1.3.1 Chuẩn hóa HSDPA trong 3GPP

Khi phát hành R3 hoàn thành, HSDPA và HSUPA vẫn chưa được đưavào kế hoạch nghiên cứu Trong năm 2000, khi thực hiện hiệu chỉnhWCDMA và nghiên cứu R4 kể cả TD-SCDMA, người ta nhận thấy rằng cần

có một số cải thiện cho truy nhập gói Để cho phép phát triển này, nghiên cứukhả thi cho HSDPA được khởi đầu vào tháng 3 năm 2000 Nghiên cứu nàyđược bắt đầu theo các nguyên tắc của 3GPP (phải có ít nhất bốn hãng ủng hộ).Các hãng đầu tiên ủng hộ nghiên cứu HSDPA gồm Motorola và Nokia thuộcphía các nhà bán máy và BT/Cellnet, T-Mobile và NTTDoCoMo thuộc phíacác nhà khai thác

Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên họp đoàn thể TSG RAN và kếtluận rằng các giải pháp được nghiên cứu cho thấy có lợi Trong danh mụcnghiên cứu HSDPA này có các vấn đề được nghiên cứu để cải thiện truyềndẫn số liệu gói đường xuống so với các đặc tả R3 Các chuyên đề như phát lạilớp vật lý và lập biểu dựa trên Node đã được nghiên cứu cùng với mã hoá và

điều chế thích ứng Nghiên cứu cũng bao hàm cả một số nghiên cứu về côngnghệ phát thu nhiều anten dưới tiêu đề “Nhiều đầu vào nhiều đầu ra” (MIMO)cùng với chọn ô nhanh (FCS).

Vì nghiên cứu khả thi cho thấy có thể đạt được cải thiện đáng kể vớimức độ phức tạp hợp lý, nên rõ dàng là cần tiếp tục danh mục nghiên cứuthực tế để phát triển các đặc tả Sau khi danh mục công tác này đã được thiếtlập, phạm vi công tác này vẫn tuân theo danh mục nghiên cứu nhưng MIMOđược lấy ra thành một danh mục nghiên cứu riêng và nghiên cứu khả thi FCScũng được bắt đầu độc lập Danh mục nghiên cứu HSDPA được nhiều nhàbán máy ủng hộ hơn và danh mục nghiên cứu thực tế này đã nhận được sựủng hộ từ các nhà bán máy lớn như Motorola, Nokia và Ericsson Trong quátrình nghiên cứu, tất nhiên con số các hãng đóng góp kĩ thuật cho quá trìnhnày còn lớn hơn nhiều Một năm sau, đặc tả HSDPA R5 được phát hành Tấtnhiên vẫn còn có các hiệu chỉnh cho HSDPA, những chức năng lõi đã cótrong các đặc tả vật lí Nghiên cứu một phần bị chậm lại do các hoạt độnghiệu chỉnh song cần thiết cho các đầu cuối và mạng R3 đang được triển khai.Nhất là đối với các khía cạnh giao thức, các kiểm tra kĩ lưỡng được thực hiện

để phát hiện các chi tiết cần hiệu chỉnh và làm rõ nghĩa các đặc tả và đây làtrường hợp đối với các thiết bị R3 trước khi bắt đầu các hoạt động thương mạitại Châu Âu vào nửa cuối năm 2002 Nghiên cứu các bộ phận của giao thứcHSDPA chiếm nhiều thời gian nhất, trong đó nghiên cứu tương thích ngượcđược bắt đầu vào tháng 3 năm 2004

Trong số các chuyên đề khác liên quan đến HSDPA, danh mục nghiêncứu MIMO không hoàn thành trong chương trình khung thời gian của R5 vàR6 Người ta vẫn tranh luận xem có xứng đáng đưa nó vào hệ thống hay không

và đây là chuyên đề nằm trong danh sách các chuyên đề của R7 Nghiên cứukhả thi đối với FCS đã kết luận rằng lợi ích nhận được từ nó không đáng kể sovới sự tăng thêm độ phức tạp vì thế sau khi nghiên cứu này khép lại không códanh mục nghiên cứu nào được đưa ra cho FCS Trong khi tập trung lên FDD

(Ghép song công phân chia theo tần số), TDD (Ghép song công phân chia theothời gian) cũng được đưa vào danh mục nghiên cứu HSDPA kể cả các giảipháp tương tự trong cả hai chế độ TDD băng hẹp và băng rộng

1.3.2 Chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP

Mặc dù HSUPA là thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trên thị trường,trong quá trình chuẩn hoá HSUPA thuật ngữ này được sử dụng dưới cái tên

“kênh riêng đường lên tăng cường” (E-DCH: Enhanced Uplink DedicatedChannel) Nghiên cứu được tiến hành trong giai đoạn hiệu chỉnh HSDPA vàđược bắt đầu bằng danh mục nghiên cứu về “tăng cường đường lên cho cáckênh truyền tải” vào tháng 9 năm 2002 Từ phía các nhà bán máy, Motorola,Nokia, và Ericsson là các hãng ủng hộ khởi xướng nghiên cứu cho vấn đề nàytrong 3GPP

Các kỹ thuật được nghiên cứu cho HSUPA (E-DCH) bao gồm (xemhình 1.2):

HSUPA

HARQ cho đường lên

Thiết lập kênh riêng nhanh

Điều chế bậc cao hơn

TTI ngắn hơn

cho đường lên

Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B

Hình 1.2 Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA

Sau một thời gian nghiên cứu dài và chi tiết báo cáo kết quả nghiêncứu đã làm sáng tỏ các lợi ích của các kĩ thuật được nghiên cứu Báo cáocho thấy rằng không có lợi ích tiềm năng khi sử dụng điều chế bậc caocho đường lên vì thế điều chế thích ứng đã không được đưa vào danh mụcnghiên cứu thực tế

Danh mục nghiên cứu này được kết thúc vào tháng 3 năm 2004 vớikhuyến nghị việc bắt đầu danh mục nghiên cứu trong 3GPP để đặc tả HARQlớp vật lý nhanh và cơ chế lập biểu dựa trên nút B cho đường lên cũng như độdài TTI ngắn hơn Ngoài ra cơ chế thiết lập các kênh DCH nhanh hơn khôngđược đưa vào khuyến nghị, nhưng các vấn đề này đã được đề cập trong cácdanh mục nghiên cứu khác đối với phát hành 3GPP R6 dựa trên các kết quảnhận được trong giai đoạn danh mục nghiên cứu này Hình 1.3 cho thấy các kĩthuật được chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA

Hình 1.3 Các kĩ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA

3GPP bắt đầu danh mục nghiên cứu “đường lên tăng cường FDD” để

đặc tả các tính năng của HSUPA theo khuyến nghị của báo cáo Trong thờigian này nghiên cứu TDD chưa được tiến hành, nhưng nó sẽ được nghiên cứutrong kế hoạch R7

HSUPA

TTI ngắn hơn

cho đường lên

Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B

HARQ cho đường lên

Do nghiên cứu nền tảng chi tiết và tốt đã được thực hiện trong thời giannghiên cứu 18 tháng, cũng như không còn bận với công tác hiệu chỉnh cácphát hành trước, các đặc tả được tiến triển nhanh và phiên bản tính năng đầutiên đã được đưa ra cho các đặc tả lõi vào tháng 12 năm 2004 Phiên bản nàyvẫn chưa phải là phiên bản hoàn thiện cuối cùng, nhưng nó chứa các chứcnăng then chốt và trên cơ sở các chức năng này có thể tiếp tục tiến hànhnghiên cứu hiệu chỉnh và hoàn thiện chi tiết Tháng 3 năm 2005, danh mụcnghiên cứu này đã chính thức được hoàn thiện cho các đặc tả chức năng,nghĩa là đã có thể chuyển sang hiệu chỉnh tính năng này

1.4 Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE

Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được tiến hành trong các UTRAN TSG Trong các cuộc họp của RAN TSG chỉ có một vài vấn đề kĩthuật là được tán thành Thậm chí trong các cuộc họp sau các vấn đề này vẫnđược xem xét lại 3GPP đã vạch ra kế hoạch làm việc chi tiết cho các nhómnghiên cứu TSG RAN Các vấn đề nghiên cứu được thực hiện trong hai TSG:

E-1 TSG RAN: Nghiên cứu tiêu chuẩn cho giao diện vô tuyến

2 TSG SA: Nghiên cứu kiến trúc mạng

Kế hoạch nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được cho trên hình 1.4

Quyết định phân chia

chức năng RAN-CN Quyết định chi tiết di động và cấu trúc

kênh

Thông qua TR Hoàn thành giai đoạn 2:SAE

1.5 IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G

Trong liên minh viễn thông quốc tế ITU, nhóm công tác 8F (ITU-R WP

8F) đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống tiếp sau IMT-2000 Quá trìnhđịnh nghĩa IMT-Adv còn đang được khởi thảo trong WP8F và sẽ hoàn toàngiống như quá trình nghiên cứu các khuyến nghị cho IMT-2000 Nó sẽ dựatrên tập các yêu cầu kĩ thuật tối thiểu và các tiêu chí đánh giá và khởi đầubằng việc mời tất cả các thành viên ITU và các tổ chức khác Bảng 1.1 chothấy mục tiêu của 4G

Bảng 1.1 Mục tiêu của 4G

Các công nghệ được đề cử sẽ được đánh giá dựa trên các tiêu chí đãthoả thuận Việc đánh giá sẽ được tiến hành cùng với sự cộng tác của các tổchức bên ngoài ITU như các tổ chức nghiên cứu tiêu chuẩn Vì quá trình nàycần sự đồng thuận nên một số công nghệ có thể áp dụng cho IMT-Adv khôngthể xác định trước Nó phải là sự cân đối giữa: tính kinh tế khi mở rộng, hỗtrợ các môi trường của người sử dụng khác nhau và khả năng của các côngnghệ khác nhau Ngoài ra khả năng sử dụng máy đầu cuối trên toàn cầu cũng

sẽ là một tiêu chí quan trọng

LTE là một trong số các con đường tiến tới 4G LTE sẽ tồn tại tronggiai đoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ là IMT-Adv LTE cho phép chuyển đổidần từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu của 4G sau đó sang IMT Adv Chuyểnđổi dần từ LTE sang IMT-Adv là chìa khoá của thành công trên thị trường.Ngoài LTE của 3GPP nghiên cứu các hướng chuyển đổi khác sang 4G Còn

có Wimax cũng có kế hoạch tiến tới 4G

♦ HSPA (High Speed Packet Data) - giai đoạn 3G+: gọi chung của haicông nghệ truy nhập HSDPA (truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) vàHSUPA (truy nhập gói đường lên tốc độ cao) HSDPA có thể cung cấp tốc độlên trên 10Mbps Nó tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điềuchế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA Hoạt động trên cơ

sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sửdụng thích ứng đường truyền Nó cũng đưa ra một kênh điều khiển riêng đểđảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụngcho đường lên trong chuẩn HSUPA

♦ LTE (Long Term Evolution) hay Super-3G - giai đoạn đầu của 4G:trong giai đoạn này tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông20MHz

♦ IMT-Adv (IMT tiên tiến) - giai đoạn phát triển của 4G Đây là thời kỳtiếp sau của LTE Tốc độ số liệu đạt được từ 100 đến 1000 Mbps và băngthông 100MHz

Ta có thể mô tả quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên4G như trên hình 1.5:

Triển khai LTE

Hình 1.5 Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

1.6 Tổng quan LTE

Có thể tóm tắt các nhiệm vụ nghiên cứu LTE và SAE như sau:

1 Về phần vô tuyến (LTE).

 Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng, trễ

2 Về phần mạng (SAE)

phải 3GPP

Kết quả nghiên cứu của LTE là đưa ra được chuẩn mạng truy nhập vôtuyến với tên gọi là E-UTRAN (Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầutăng cường), để đơn giản trong đề tài ta sẽ gọi chung là LTE

1.6.1 Tốc độ số liệu đỉnh

Mục tiêu LTE cho các yêu cầu tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến100Mbps khi băng thông đựơc cấp phát là 20MHz (5bps/Hz) và tốc độ đỉnhđường lên lên đến 50 Mbps khi băng thông được cấp phát là 20MHz (2,5bps/Hz) Các mục tiêu về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE thamchuẩn gồm: (1) khả năng đường xuống với hai anten tại UE, (2) khả năngđường lên với một anten tại UE

1.6.2 Trễ mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng

Các mục tiêu giảm trễ được chia thành các yêu cầu cho trễ mặt phẳngđiều khiển (mặt phẳng C) và trễ mặt phẳng người sử dụng (mặt phẳng U)

Trạng thái tích cực

Cell_DCH

Trạng thái ngủ (Cell_PCH)

Trạng thái rỗi

<50ms

<100ms

Hình 1.6 Chuyển đổi trạng thái trong LTE [5]

LTE có thời gian chuyển đổi các trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trongchế dộ rỗi – Idle của R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell_DCH)

Nó cũng cần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ(như trong R6 Cell_PCH) sang trạng thái tích cực (như trong R6_DCH)

Yêu cầu trễ mặt phẳng người sử dụng đảm bảo trễ nhỏ hơn 10ms Trễmặt phẳng U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong

UE (hoặc Node biên của UTRAN) đến lớp IP trong Node biên của UTRAN(hoặc UE), Node biên của UTRAN là giao diện UTRAN với mạng lõi Chuẩnđảm bảo trễ măt phẳng U của LTE nhỏ hơn 5ms trong điều kiện không tải(nghĩa là một người sử dụng với một luồng số liệu đối với gói nhỏ (chẳng hạntải tin bằng không cộng với tiêu đề )

Mạng IP

Trễ < 5ms

Hình 1.7 Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE[5]

1.6.3 Thông lượng số liệu

Thông lượng đường xuống trong LTE sẽ gấp ba đến bốn lần thônglượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một Mhz Cần lưu

ý rằng thông lượng HSDPA trong R6 được xét cho trường hợp một anten tạinút B với tính năng tăng cường và một máy thu trong UE; trong khi đó LTE

sử dụng cực đại hai anten tại nút B và hai anten tại UE Ngoài ra cũng cần lưu

ý rằng khi băng thông cấp phát tăng, thông lượng cũng phải tăng

Mặt khác thông lượng đường lên trong LTE cũng gấp hai đến ba lầnthông lượng đường lên trong R6 HSUPA tính trung bình trên một Mhz Trong

đó giả thiết rằng R6 HSUPA sử dụng một anten phát tại UE và hai anten thu

tại nút B; còn đường lên trong LTE sử dụng cực đại hai anten phát tại UE vàhai anten thu tại nút B.

Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên đường xuống và HSDPA

Thông lượng người sử dụng

sử dụng các giải pháp và mô hình kênh đặc biệt Khi thiết lập các thông số lớpvật lý, LTE cần có khả năng duy trì kết nối tại tốc độ lên tới 350 km/h thậmchí lên đến 500km/h phụ thuộc băng tần được cấp phát.

LTE cũng cần hỗ trợ các kĩ thuật cũng như các cơ chế để tối ưu hoá trễ

và mất gói khi chuyển giao trong hệ thống Các dịch vụ thời gian thực nhưtiếng được hỗ trợ trong miền chuyển mạch kênh trước đây phải được E-UTRAN hỗ trợ trong miền chuyển mạch gói với chất lượng tối thiểu phảibằng với chất lượng được hỗ trợ bởi UTRAN ( chẳng hạn tốc độ bit đảm bảo)trên toàn bộ dải tốc độ Ảnh hưởng của chuyển giao trong hệ thống lên chấtlượng (thời gian ngắt) phải nhỏ hơn hay bằng chất lượng được cung cấp trongmiền chuyển mạch kênh của GERAN[1]

1.6.6 Vùng phủ

LTE phải hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khivẫn đảm bảo các mục tiêu đã nêu trong các phần trên với giả thiết sử dụng lạicác đài trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có

Thông lượng, hiệu suất sử dụng phổ tần và hỗ trợ di động nói trên phảiđáp ứng các ô có bán kính 5km và giảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bánkính 30km LTE phải hoạt động trong các băng thông 1,25 Mhz; 2,5 Mhz;5Mhz; 10Mhz; và 20Mhz trên cả đường xuống lẫn đường lên Cần đảm bảolàm việc cả chế độ đơn băng lẫn song băng

Hệ thống phải hỗ trợ truyền nội dung trên toàn thể các tài nguyên baogồm cả các tài nguyên vô tuyến khả dụng đối với nhà khai thác trong cùngmột băng tần hoặc trong các băng tần khác nhau trên cả đường lên lẫn đườngxuống Hệ thống phải hỗ trợ lập biểu công suất, lập biểu thích ứng, …

1.6.7 MBMS tăng cường

MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service: Dịch vụ đa phươngquảng bá đa phương tiện) được đưa vào các dịch vụ của LTE Các hệ thốngLTE phải đảm bảo hỗ trợ tăng cường cho MBMS LTE phải hỗ trợ các chế độMBMS tăng cường so với hoạt động của UTRA Đối với trường hợp đơnphương, LTE phải có khả năng đạt được các mục tiêu chất lượng như hệthống các hệ thống UTRA khi làm việc trên cùng một đài trạm

Hỗ trợ MBMS của LTE cần đảm bảo các yêu cầu sau: (1) tái sử dụngcác phần tử vật lý: để giảm độ phức tạp đầu cuối, sử dụng các phương pháp

đa truy nhập, mã hoá, điều chế cơ bản áp dụng cho đơn phương cho cácdịch vụ MBMS và cũng sử dụng tập chế độ băng thông của UE cho cáckhai thác đơn phương cho MBMS, (2) thoại và MBMS: giải pháp LTE choMBMS phải cho phép tích hợp đồng thời và cung cấp hiệu quả thoại dànhriêng và các dịch vụ MBMS cho người sử dụng: (3) Khai thác MBMS đơnbăng: phải hỗ trợ triển khai các sóng mang LTE mang các dịch vụ MBMStrong phổ tần đơn băng

1.6.8 Triển khai phổ tần

Yêu cầu LTE làm việc với các kịch bản triển khai phổ tần sau đây:

Đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm vớiGERAN/UTRAN trên các kênh lân cận

Đồng tồn tại trên các kênh lân cận hoặc chồng lấn tại biên giới cácnước

nguyên tắc băng tần độc lập

Cần lưu ý rằng trong trường hợp các yêu cầu điều phối biên giới, cácvấn đề khác như giải pháp lập biểu cần được xem xét cùng với các hoạt độngkhác của lớp vật lý.

1.6.9 Đồng tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT

LTE phải hỗ trợ tương tác với các hệ thống 3G hiện có và với các hệthống không theo chuẩn 3GPP LTE phải đảm bảo khả năng đồng tồn tại giữacác nhà khai thác trong các băng liền kề và trên biên giới

Tất cả các đầu cuối LTE hỗ trợ khai thác UTRAN/GERAN phải có khảnăng hỗ trợ đo, chuyển giao đến/từ cả hai hệ thống UTRAN và GERAN.Ngoài ra LTE cần phải hỗ trợ đo giữa các RAT (công nghệ truy nhập vôtuyến) với ảnh hưởng chấp nhận được lên sự phức tạp đầu cuối và hiệu năngmạng, chẳng hạn bằng cách cung cấp cho các UE các cơ hội đo trên đườnglên và đường xuống thông qua lập biểu

Vì thế vấn đề đặt ra ở đây không chỉ là việc tương thích ngược mà cảviệc hỗ trợ cơ chế chuyển giao giữa các mạng 3GPP khác nhau Ngoài racũng cần nhấn mạnh rằng HSDPA vẫn là một giải pháp 3G từ 3GPP và nóhoàn toàn tương thích ngược với các mạng W-CDMA Vấn đề tương thíchgặp phải ở đây cũng giống như các vấn đề tương thích đã được giải quyếtgiữa UTRAN và GERAN (dựa trên GSM)

Dưới đây là các yêu cầu cho tương tác mạng:

và UTRAN/GERAN không được quá 300ms

LTE và UTRAN/GERAN không được quá 500ms

Cell_PCH) hỗ trợ UTRAN/GERAN có bổ sung thêm LTE không nhất thiếtchỉ giám sát các bản tin tìm gọi từ một trong số UTRAN, GERAN và LTE[1]

1.6.10 Các vấn đề về mức độ phức tạp

LTE phải thoả mãn hiệu năng yêu cầu Ngoài ra mức độ phức tạp cũngphải được giảm thiểu để ổn định hệ thống và tương tác với các giai đoạntrước Điều này cũng cho phép giảm giá thành thiết bị đầu cuối và UTRAN

Để giảm mức độ phức tạp trong quá trình thực hiện cả về phần cứng lẫnphần mềm, thiết kế LTE phải giảm thiểu số lượng các tuỳ chọn và đảm bảoloại bỏ các tính năng bắt buộc thừa Một vấn đề quan trọng nữa là phải giảmthiểu số lượng các trường hợp kiểm tra cần thiết, chẳng hạn giảm số lượngcác trạng thái của các giao thức, giảm thiểu số lượng các thủ tục, các thông số

và tính hạt Các yêu cầu đối với LTE phải giảm thiểu mức độ phức tạp của

UE liên quan đến kích thước, trọng lượng và dung lượng acqui (chế độ chờ vàchế độ tích cực) nhưng vẫn đảm bảo các dịch vụ tiên tiến của LTE

1.7 So sánh các công nghệ mạng di động trên con đường đi tới 4G

Về mặt kĩ thuật, hai công nghệ này có nhiều nét tương đồng và đềuđạt những yêu cầu để tiến tới 4G, dưới đây là bảng so sánh về hai côngnghệ này [1]

Bảng 1.4 So sánh LTE và Wimax

Source: 3 GPP RAN1

802.16e/MobileWiMAX R1

802.16m/MobileWiMAX R2

Đa truy

nhập

DL: OFDMAUL: SC-FDMA

DL: OFDMAUL: OFDMA

DL: OFDMAUL: OFDMA

Tốc độ tối đa

DL: 288 (4x4)UL: 98 (2x4)(20 MHz)

DL: 64 Mbps (2x2)UL: 28 Mbps (2x2)(10 MHz)

DL:>350 Mbps (4x4)UL:>200 Mbps (2x4)(20HMz)

Truy nhập: ~20msChuyển giao:~35-50ms

Truy nhập:<10 msChuyển giao:<20ms

Cấu hình

MIMO

DL: 2x2, 2x4, 4x2, 4x4

MIMOUL: 1x2, 1x4, 2x2, 2x4

MIMO

DL: 2x2 MIMOUP: 1x2 MIMO

DL: 2x2, 2x4, 4x2, 4x4

MIMOUL: 1x2, 1x4, 2x2, 2x4

MIMO

Bán kínhphủ

(km)

5/30/100 km(chất lượng tốt nhất ở

1/5/30 km(chất lượng tốt nhất ở

Ngày nay tất cả đều đồng ý với nhau rằng để đạt được tốc độ dữ liệucao chỉ có thể nhờ vào công nghệ đa ăngten MIMO và kỹ thuật đa truy nhậpOFDMA 3G LTE ra đời muộn hơn WiMAX và nó cũng không thể nàokhông dùng MIMO và OFDMA Do vậy, nếu xét trình bình diện kỹ thuậttruyền thông không dây (wireless communication) thì 3G LTE không có bất

cứ một kỹ nghệ cơ bản nào vượt trội so với WiMAX di động Tuy nhiên,công nghệ mạnh nhất, vượt trội nhất đôi khi không phải là công nghệ giànhchiến thắng mà một công nghệ thành công là một công nghệ phù hợp nhất,hòa hợp nhất

So với WiMAX, LTE đã có một công nghệ đi trước là 2G, 3G với sốlượng thuê bao đã có sẵn Đây là một lợi thế lớn để triển khai 3G LTE Đặcbiệt các thiết bị di động 3G LTE sẽ tương thích với các mạng thông tin diđộng thế hệ trước, do vậy người dùng sẽ có thể chuyển giao dễ dàng giữamạng 3G LTE với các mạng 2G GSM/GPRS/EDGE và 3G UMTS đã tồn tại.Điều này cho phép những nhà cung cấp mạng 3G LTE có thể triển khai mạngdần dần cũng giống hệt khi họ nâng cấp mạng 2G lên 3G Trong khi đóWiMAX phải triển khai mạng từ con số không Do WiMAX không tươngthích với các chuẩn di động không dây trước đó nên việc thiết bị đầu cuốiWiMAX có được tích hợp với chip 2G/3G hay không vẫn còn là một câu hỏi

mở Nó hoàn toàn không phải là một câu hỏi về kỹ thuật mà là một vấn đềmang tính chiến lược Nó tùy thuộc vào tác nhân nào sẽ triển khai mạngWiMAX trong tương lai: nhà cung cấp mạng thông tin di động 2G/3G hiện tạihay một nhà cung cấp mạng WiMAX hoàn toàn mới Nếu là một nhà cungcấp mạng 2G/3G thì chắc chắn họ sẽ triển khai 3G LTE nếu như WiMAXkhông mang lại lợi ích nào đặt biệt vượt trội so với 3G LTE Nếu nhà cungcấp chỉ có mạng 2G/2.5G, họ cũng có thể chọn lựa WiMAX như một sự nhảycóc lên “gần” 4G thay vì đi lên 3G/3.5G rồi 3G LTE Ở thời điểm này có thểkhẳng định rằng LTE đang trên đà thắng thế

1.8 Kết luận chương

Chương này đã xét tổng quan các quá trình tiêu chuẩn hóa HSPA(3G+) và LTE (E3G/4G) Các công nghệ truy nhập HSPA vẫn còn dựa trêncông nghệ truy nhập vô tuyến CDMA của WCDMA, trong đó các công nghệtruy nhập vô tuyến của LTE sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trựcgiao (OFDMA) Có thể nói HSPA là hậu 3G và LTE là tiền 4G với công nghệLTE sẽ đem lại cho viễn thông di động thế giới tiền gần đến 4G hơn Trongchương này chúng ta cũng đã xét lộ trình tiến lên 4G Công nghệ truy nhập vôtuyến cho 4G sẽ có thể gọi là IMT2000 -Adv Chương này cũng đã so sánhcác công nghệ đi tới 4G cũng như tương lai các công nghệ này Nhìn chungmục tiêu của các công nghệ mới này đều nhằm cải thiện các thông số hiệunăng và giảm giá thành so với công nghệ trước đó.

Chương 2 Kiến trúc mạng 4G LTE

2.1 Tổng quan kiến trúc LTE

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển.UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới.3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thôngtin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băngtần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kểnăng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

Các mục tiêu của công nghệ này là:

MHz so với mạng HSDPA Rel 6:

 Tải lên: gấp 2 đến 3 lần

Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h Vẫn duy trì được hoạt độngkhi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùybăng tần)

giảm chút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30 – 100 km thì không hạn chế

MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên

và xuống Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhauhoặc không

Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng,

trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao), kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output – đa vào đa ra) Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP

network), và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD Hình 2.1 cho thấy tổng quan vềmạng truy nhập vô tuyến LTE, các Node giao diện và sự khác biệt trong kiếntrúc mạng giữa LTE và WCDMA/HSPA Trong LTE không có Node tươngđương với RNC Do không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên và đườngxuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng và hơn nữa việc thiết kế giảmthiểu số lượng Node trong mạng giảm độ phức tạp, quản lý Kiến trúc mạngLTE bao gồm hai miền: miền E-UTRAN và EPC Trong kiến trúc LTE phânchia riêng rẽ logic giữa mạng truyền tải dữ liệu và báo hiệu Các chức năng E-UTRAN và EPC được hoàn toàn tách biệt từ các chức năng truyền tải Lược

đồ địa chỉ được sử dụng trong E-UTRAN và EPC không bị ràng buộc từ lược

đồ địa chỉ của các chức năng truyền tải Các kết nối RRC được điều khiểnhoàn toàn bởi E-UTRAN

eNodeB phức tạp hơn NodeB trong WCDMA/HSPA, nó chịu trách nhiệmcho các quyết định RRM của một ô Các quyết định chuyển giao, lập biểu…Các eNodeB được kết nối tới mạng lõi thông qua giao diện S1 Giống nhưgiao diện Iu trong WCDMA/HSPA Ngoài ra giao diện giữa các eNodeB làX2 Giao diện X2 chỉ được sử dụng giữa các eNodeB có các ô lân cận Giaodiện X2 được sử dụng để hỗ trợ di động chế độ tích cực Giao diện này cũngđược sử dụng cho các chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến RRM nhiều ô.Giao diện mặt phẳng điều khiển X2 giống như giao diện Iur trong WCDMA/HSPA Nhưng không có chức năng hỗ trợ trôi Giao diện này hỗ trợ chứcnăng ấn định tại eNodeB Giao diện X2 được sử dụng để hỗ trợ di động ít mấthơn (chuyển gói).

Chức năng của eNodeB bao gồm:

Điều khiển các kết nối di động

Cấp phát các tài nguyên vô tuyến cho các đầu cuối di động

Nén tiêu đề IP và mã hóa luồng dữ liều người sử dụng

Định tuyến dữ liệu và chuyến tiếp tới SGSN

Lập lịch và truyền dẫn bản tin tìm gọi (được khởi tạo từ MME)

Lập lịch và truyền dẫn bản tin quảng bá (được khởi tạo từ MME hay O&M)

 Do lường và cấu hình báo cáo đo lường cho bộ lập lịch và di độngChức năng S-GW và P-GW bao gồm:

 Lọc các gói IP tới và từ miền Internet

2.2 Lõi gói phát triển EPC

Mạng lõi được sử dụng cho WCDMA/HSPA và LTE được xây dựngtrên sự phát triển mạng lõi GSM/GPRS Mạng lõi sử dụng choWCDMA/HSPA rất gần với mạng lõi gốc của GSM/GPRS ngoại trừ sự khác

nhau trong việc phân chia chức năng với RAN Tuy nhiên mạng lõi được sửdụng để kết nối tới LTE RAN là sự phát triển triệt để hơn của mạng lõi GSM/GPRS Vì thế nói có tên là lõi gói phát triển EPC.

Phạm vi bao phủ SAE chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói không cóchuyển mạch kênh Mạng EPC đã bắt đầu từ một kiến trúc Node đơn với tất

cả chức năng được đặt trong một Node trừ thuê bao nhà HSS là Node nằmngoài Node đơn này HSS là một Node (cơ sở dữ liệu) tương ứng với HLRtrong mạng GSM/WCDMA Hình 2.2 minh họa EPC trong tổng thể kiến trúc.Hình này cũng mô tả như một thực thể logic Điều này cho phép đơn giản hóaminh họa và dễ hiểu kết nối tới LTE RAN và WCDMA/HSPA EPC kết nốitới LTE RAN thông qua giao diện S1 và đến Internet thông quan giao diệnSGi Ngoài ra EPC kết nối tới HSS thông qua giao diện S6

S1 là giao diện giữa các eNodeB với EPC Giao diện S1 rất giống vớigiao diện Iu-ps Các mặt phẳng người sử dụng của S1 và Iu-ps là các tunneltruyền tải được xây dựng trên cơ sở IP Các gói IP của người sử dụng đầucuối được EPC hay eNodeB đặt vào các tunnel IP của S1 và được lấy ra tạiđầu kia bởi các Node tương ứng (eNodeB và EPC)

Hình 2.2 Mạng lõi SAE (hình vẽ dạng đơn giản) [2]

Điểm khác biệt lớn nhất WCDMA/HSPA và LTE là việc xử lý di động.Trong LTE, EPC đóng vai trò là một neo trong mạng lõi SAE cho di động,nghĩa là Node EPC xử lý mặt phẳng người sử dụng của đầu cuối không bị thayđổi trong thời gian kết nối Ở đây EPC đóng vai trò GGSN được sử dụng cho

GSM/GPRS và WCDMA/HSPA Do kiến trúc phẳng, Node EPC xử lý mặtphẳng người sử dụng của đầu cuối cần có khả năng kết nối tới mọi eNodeBtrong mạng Vì EPC là neo và LTE RAN chỉ gồm eNodeB, nên EPC cần đượccập nhật thông tin rằng nó sẽ định tuyến gói số liệu của người sử dụng đếneNodeB nào Đây là điểm khác biệt lớn nhất so với WCDMA/HSPA, trong khi

đó RNC che dấu kiểu di động này đối với mạng lõi

Trong giao diện S6 trên hình trên là giao diện nối EPC đến HSS Đây làphát triển giao diện Gr được sử dụng cho mạng lõi WCDMA/HSPA để nối tớiHLR Vì thế, một HLR/HSS kết hợp cho EPC có thể giống như HLR đối vớiGSM và WCDMA/HSPA hiện tại

Khi công nghệ LTE được đưa vào, cần có chuyển giao đếnWCDMA/HSPA Giải pháp được lựa chọn là WCDMA/HSPA nối đến mạngEPC Thực tế SGSN của mạng lõi GSM được sử dụng cho WCDMA/HSPAđược nối tới EPC EPC đóng vai trò như một GGSN khi lưu lượng định tuyếnqua WCDMA/HSPA bằng cách sử dụng giao diện S4 và như một EPC bìnhthường khi lưu lượng được định tuyến qua LTE RAN Các phần của mặtphẳng điều khiển của EPC không được sử dụng khi đầu cuối được kết nối tớiWCDMA/HSPA Thay vào đó các giao thức SGSN của mạng lõi được sửdụng Bằng cách tiếp cận này, chỉ cần thay đổi tối thiểu đối với mạng lõi gói

sử dụng cho WCDMA/HSPA, trong khi vẫn có thể đảm bảo chuyển giaonhanh và êm ả đến và từ LTE

Khi chuyển giao từ WCDMA/HSPA tới LTE, EPC nhận kết nối từSGSN Điều này được thực hiện qua giao diện S3, giao diện này được xâydựng trên cơ sở giao diện Gn được sử dụng cho các SGSN để ấn định lạiSGSN Vì thế chuyển giao này cũng gần giống như ấn định lại SGSN bằngcách chuyển mạch mặt phẳng người sử dụng vào EPC thay vì vào GGSN

S3 Iu

S5a

HSS

Lõi GPRS SGSN

E-PDG Neo SAE

Neo 3GPP

MME UPE

Rx+

Mạng lõi gói Phát triển

IASA

Hình 2.3 Kiến trúc mô hình LTE tổng quát theo TR 23 822 [12]

Trong mô hình LTE tổng quát GERAN/UTRAN hay miền Internetđược nối tới LTE thông qua lõi GPRS qua các giao diện như đã trình bày, kếtnối tới SAE thông qua giao diện S3, S4 với các mục đích kết nối và quản lý.Các mạng không phải 3GPP hay các dịch vụ IP như IMS, PSS hay PSRFđược kết nối tới miền gói duy nhất thông qua các giao diện

Các điểm tham chiếu được sử dụng trong mô hình:

lượng mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng báo hiệu Điểm tham chiếu S1cho phép MME và UPE có thể triển khai riêng rẽ hay kết hợp

động giữa truy cập Non-3GPP IP và SAE

động giữa truy cập Non-ePDG và SAE

thống truy nhập Inter 3GPP trong trạng thái idle/active Nó dựa trên điểm

tham chiếu Gn được định nghĩa giữa SGSNs Dữ liệu người sử dụng đượcchuyển tới hệ thống truy nhập di động inter-3GPP trong trạng thái active.

động giữa lõi GPRS và 3GPP và được dựa trên điểm tham chiếu được địnhnghĩa giữa SGSN và GGSN

động giữa truy cập MME/UPE và 3GPP

người sử dụng tới giao diện AAA

từ PCRF tới PCEP

tham chiếu này tương ứng với chức năng Gi và Wi và hỗ trợ các hệ thống truynhập 3GPP và Non-3GPP

Giao diện giữa SGSN trong mạng lõi 2G/3G và EPC sẽ dựa trên giaothức GTP Giao diện giữa SAE MME/UPE và mạng lõi 2G/3G sẽ được dựatrên giao thức GTP

Gx+ ký hiệu cho Gx phát triển hay mở rộng PCRF thể hiện chức năngcác quy tắc tính cước và chính sách phát triển Các đường nối và các vòngtròn không liên tục thể hiện các phần tử và các giao diện mới của kiến trúcLTE Rh thể hiện chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt Dựkiến giao diện này sẽ tương đối tổng quát để đảm bảo các tổ hợp khác nhaucủa RAT Gx+ thể hiện Gx có thêm hỗ trợ di động giữa các hệ thống truy nhập(Inter AS) Inter AS MM ký hiệu cho quản lý di động giữa các hệ thống truynhập hPCRF thể hiện chức năng quy tắc tính cước và chính sách, trên hình vẽchức năng này được thể hiện hai lần chỉ để thể hiện cấu hình

2.3 Đường xuống OFDM và đường lên SC-FDMA

2.3.1 Đường xuống OFDM

Đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM Công nghệ OFDM

là một hệ thống truyền dẫn đường xuống hấp dẫn với nhiều lý do khác nhau

Vì thời gian ký tự OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chutrình, nên OFDM cung cấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh(channel frequency selectivity) Vì vậy mà OFDM với khả năng vốn có trongviệc chống lại fading lựa chọn tần số sẽ trở thành sự lựa chọn hấp dẫn chođường xuống, đặc biệt khi được kết hợp với ghép kênh không gian (spatialmultiplexing)

Một số lợi ích khác của kỹ thuật OFDM bao gồm:

- Hỗ trợ dễ dàng cho việc truyền dẫn broadcast/mulitcast, khi mà nhữngthông tin giống nhau được truyền đi từ nhiều trạm gốc

- OFDM cung cấp khả năng truy nhập vào miền tần số, bằng cách thiếtlập một độ tự do bổ sung (degree of freedom) cho khối lập biểu phụ thuộckênh truyền (channel dependent scheduler) so với HSPA

- OFDM dễ dàng hỗ trợ cho việc phân bố băng thông một cách linhhoạt, bằng cách biến đổi băng tần cơ sở thành các sóng mang phụ để truyền

đi Tuy nhiên chú ý rằng là việc hỗ trợ nhiều phân bố phổ đòi hỏi cần phải có

bộ lọc RF linh hoạt (flexible RF filtering) khi đó thì sơ đồ truyền dẫn chínhxác là không thích hợp Tuy nhiên, việc duy trì cấu trúc xử lý băng tần cơ sởgiống nhau, không phụ thuộc băng thông sẽ nới lỏng việc triển khai đầu cuối

2.3.2 Đường lên SC-FDMA

Đối với đường lên LTE, truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên kỹ thuậtDFT- spread OFDM Việc sử dụng điều chế đơn sóng mang cho đường lênđem lại tỷ số đỉnh trên trung bình (peak to average ratio) của tín hiệu đượctruyền thấp hơn khi mà so sánh với kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang ví dụnhư OFDM Tỷ số đỉnh trên trung bình của tín hiệu được truyền càng nhỏ thìcông suất phát trung bình đối với một bộ khuếch đại công suất nhất định càng

cao Vì vậy mà truyền dẫn đơn sóng mang cho phép sử dụng hiệu quả hơn bộkhuếch đại công suất, đồng thời làm tăng vùng phủ sóng Điều này đặc biệtquan trọng đối với những thiết bị đầu cuối bị giới hạn về năng lượng Tạicùng một thời điểm, việc cân bằng cần thiết để kiểm soát lỗi của tín hiệu đơnsóng mang do fading lựa chọn tần số là vấn đề nhỏ trong đường lên vì ít giớihạn trong nguồn tạo tín hiệu tại trạm gốc hơn so với thiết bị đầu cuối di động.

Đường lên LTE dựa trên kỹ thuật phân tách trực giao giữa những ngườidùng trong miền thời gian và tần số Kỹ thuật phân tách người dùng trực giaotrong nhiều tình huống mang lại lợi ích trong việc tránh được nhiễu trong tếbào (intra cell interference) Tuy nhiên, việc phân bố một lượng tài nguyênbăng thông tức thời rất lớn cho người dùng lại không phải là một chiến lượchiệu quả trong những tình huống mà chính tốc độ dữ liệu bị giới hạn bởi côngsuất truyền dẫn hơn là băng thông Trong những tình huống như vậy, mộtthiết bị đầu cuối sẽ chỉ được phân bố một phần của tổng băng thông truyềndẫn và những thiết bị đầu cuối khác có thể truyền song song trên phần phổcòn lại Vì vậy mà đường lên LTE sẽ bao gồm một thành phần đa truy nhậpmiền tần số (frequency domain multiple access component), hệ thống truyềndẫn đường lên LTE nhiều khi cũng được xem như là hệ thống Single CarrierFDMA (SC- FDMA)

2.4 Sự hỗ trợ nhiều anten (Multiple antenna support)

LTE ngay từ đầu đã hỗ trợ kỹ thuật nhiều anten tại cả trạm gốc và thiết

bị đầu cuối như là một phần không thể thiếu trong đặc điểm kỹ thuật Xét trênnhiều mặt thì việc sử dụng nhiều anten là một kỹ thuật quan trọng để đạt đượcnhững mục tiêu mạnh mẽ cho hiệu năng của LTE Như đã biết thì việc sửdụng nhiều anten được áp dụng cho nhiều trường hợp với nhiều mục đíchkhác nhau:

diversity) Đối với truyền dẫn đường lên, kỹ thuật này đã được sử dụng chocác hệ thống tế bào từ nhiều năm trước Tuy nhiên, khi mà cấu hình hai anten